KR100613402B1

KR100613402B1 - 정전압-정전류 제어 전환형 펄스 전원 회로

Info

Publication number: KR100613402B1
Application number: KR1020040078498A
Authority: KR
Inventors: 윤철오; 김현철; 공웅걸; 한상훈
Original assignee: 주식회사 맥사이언스
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-08-17
Also published as: KR20060029515A

Abstract

본 발명은 정전압 제어 구간과 정전류 제어 구간이 복수로 혼합 구성된 형태의 펄스를 발생 및 제어하는 전원 회로에 관한 것으로, 반도체 소자, 평판 디스플레이 소자, 배터리, 축전기, 전동기, 전기화학 센서 등 전류 구동형의 소자에 전력을 공급, 제어 및 측정하는 장치에 사용된다. 본 발명은 스위치에 의해 정전압 또는 정전류 발생을 선택적으로 수행할 수 있는 아날로그 제어부(50)를 단일 회로로 구성하고, 상기 아날로그 제어부(50)의 제어 방식을 선택하는 제어 변환부(40)의 제 1의 스위칭과, 정전압 또는 정전류 제어 위한 설정값을 선택하는 채널 변환부(30)의 제 2의 스위칭을 동기화하여, 정전압-정전류 변환 속도가 빠르고 안정적인 전력 펄스를 구현함을 특징으로 한다.

Description

정전압-정전류 제어 전환형 펄스 전원 회로{omitted}

도 1은 GSM형 이동통신 단말기 배터리용 펄스 충방전 장치에 사용되는 펄스 전류 패턴.

도 2는 유기발광소자의 수명 측정 또는 에이징에 상용되는 정전압-정전류 제어 변환형 펄스 패턴

도 3은 정전압식 센서와 정전류식 센서가 혼합된 전자혀 장치에 사용되는 센서 구동 및 측정용 전원 펄스 패턴

도 4는 정전압-정전류 제어 전환시 스위칭 변환에 의한 시간 지연을 나태내는 그래프

도 5은 정전압-정전류 제어 전환시 스위칭 동기화에 의한 시간 지연 해소를 나태내는 그래프

도 6는 정전압-정전류 전환형 펄스 전원 회로의 개념도

도 7은 정전압-정전류 전환형 펄스 전원 회로의 실시예

도 8은 실시예 회로의 정전압 제어 방식 선택시 회로 구성

도 9는 실시예 회로의 정전류 제어 방식 선택시 회로 구성

도 10은 실시예 회로의 정전압-정전류 전환형 펄스 출력

본 발명은 정전압 제어 구간과 정전류 제어 구간이 복수로 혼합 구성된 형태의 펄스를 발생 및 제어하는 전원 회로에 관한 것이다.

본 발명이 제공하는 회로는 직접적인 정전류 구동 방식 또는 정전압 제어에 의한 전류 구동 방식으로 동작하는 수동 및 능동 소자에 대하여, 정전압 제어 방식와 정전류 제어 방식을 선택적으로 수행하거나, 순차적으로 전환 또는 이를 주기적 펄스 형태로 반복적으로 전환하고자 하는 전원 공급장치의 제어 회로로 사용될 수 있다.

복수의 소자를 정전류 제어 방식으로 동시에 구동하는 경우 각각의 소자는 구동회로와 독립적인 폐회로를 구성하여야 하므로 정전압 제어 방식과는 달리 단일 전원을 분기하여 공통적으로 사용할 수 없다. 즉, 구동하고자 하는 소자와 동일한 수의 구동회로가 필요한 만큼 다량의 소자를 동시에 구동하는 전력 공급 장치를 구현하기 위해서는 가급적 단순한 구성의 제어회로가 요구된다.

본 발명은 정전압 제어용 회로와 정전류 제어용 회로를 별도로 두지 않고, 단일 회로 내의 제어 전환 스위치를 사용하여 정전압 제어 방식과 정전류 제어 방식을 전환하도록 고안된 펄스 전원 제어 회로로서 그 구성이 간단하여 복수의 소자를 동시에 구동하는 다채널용 펄스 전원 장치 제작이 용이하다.

또한 본 발명이 제공하는 회로에는, 제어값의 설정이 서로 다른 유한한 복수의 제어 구간들로 구성된 주기적인 펄스 형태의 전력 신호를 소자에 공급하는 경 우, 각 제어 구간에 대하여 미리 설정된 디지털 제어값을 수시로 변경하지 않고도 항상 일정한 아날로그 지령값으로 전력 발생 회로에 입력될 수 있도록 복수의 디지털-아날로그 변환기로 구성된 입력 채널과 이를 순차적, 주기적으로 선택하는 채널 전환 스위치 회로가 포함된다.

본 발명에 사용되는 제어 전환 및 채널 전환 스위치는 공통적으로 회로상 전류를 수반하지 않거나 소량의 전류만을 수반하는 전압 신호부에 위치하여 전자식 아날로그 스위치의 사용이 가능하므로 스위칭 속도가 매우 빠르고 장기간 사용이 가능하다.

또한 전력 발생회로의 입력 제어값의 변경과 정전압-정전류 제어 방식의 전환이 동시에 실행되는 경우 제어 전환 스위치와 채널 전환 스위치를 동기화함으로써 제어 구간 변환시 각 회로 구성 요소가 발생시키는 응답 지연 시간의 차이를 최소화 하여 매우 안정적인 전력 신호를 공급한다.

본 발명의 목적은 반도체 소자, 평판 디스플레이 소자, 배터리, 축전기, 전동기, 전기화학 센서 등 전류 구동형의 소자에 정전압 및 정전류 제어 방식의 반복적, 주기적 전환이 요구되는 전력 신호를 발생하는 제어 회로를 구현하여 구성이 간단하고 다채널 제작이 용이한 전력 펄스 제어 장치를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 정전압 제어 구간과 정전류 제어 구간이 복수로 혼합 구성된 형태의 전력 펄스를 발생 및 제어하는 전자 장치에 적용되는 기술이며, 반도체 소자, 평판 디스플레이 소자, 배터리, 축전기, 전동기, 전기화학 센서등 전류 구동형의 소자에 전력을 공급 및 제어하는 전원 회로로 사용된다.

이동통신 단말기의 휴대 전원으로 사용되는 배터리의 충전 및 방전시 용량을 정확히 측정하기 위하여 정전류로 구동하는 것이 일반적이며, 실제 단말기에 탑재되어 대기 상태 또는 통화상태에서의 전지 용량 소모를 평가하기 위해서는 통신 규격의 하나인 [도 1]과 같은 GSM 방식의 펄스 형태로 방전하여 용량을 측정할 수 있다. 또한 배터리의 과충전 및 과방전을 피하기 위하여 배터리의 전압이 소정의 전압 구간을 벗어나는 경우 정전압으로 구동하여야 한다. 이와같이 배터리의 정전류 및 정전압 펄스 충전 또는 방전을 수행하는 전기 장치에 본 발명이 적용된다.

평판디스플레이 소자의 일종인 유기발광소자는 전류 구동형으로 소자로 수동 방식으로 구동 될 경우 일정한 주기와 폭을 갖는 펄스 형태의 전력 신호가 인가된다. 이때 유기발광소자가 갖는 다이오드 특성에 의하여 순방향 인가시 전류 제어에 의해 밝기가 조절되며, 역방향 인가시에는 전류가 거의 흐르지 않으므로 전압 제어가 요구된다. [도 2]는 수동 구동형 유기발광소자의 수명 측정, 에이징 구동 등에 사용되는 전력 펄스 형태이며, 이와 같은 유기발광소자의 구동 및 측정 장비에 본 발명이 적용된다.

전기화학적 방법으로 정전압 전류 또는 정전류 전압을 측정하여 액체 내 특정 물질을 감지하는 다양한 종류의 화학 센서를 결합하여 액상 물질을 구분하는 전자혀 시스템 구성시, 화학 센서로 부터의 신호를 단일 계측 장치로 각 센서를 스위칭하여 측정을 시행할 경우 센서의 구동 특성에 따라 [도 3]과 같이 정전압-정전류 전환을 반복적으로 수행할 필요가 있으며 이와 같은 전기화학 측정 장치에 본 발명이 또한 적용된다.

본 발명은 정전압 제어 구간과 정전류 제어 구간이 복수로 혼합 구성된 형태의 전력 펄스를 발생 및 제어하는 전자 장치에 적용되는 기술이며, 반도체 소자, 평판 디스플레이 소자, 전지, 축전기, 전동기, 전기화학 센서등 전류 구동형의 소자에 전력을 공급 및 제어하는 전원 회로로 사용된다.

정전압 및 정전류 펄스 전력을 제공하는 장비로 포텐셔미터/갈바노미터 (Potentiometer/Galvanometer)가 있다. 이는 정전압 또는 정전류 제어 조건하에서 1 MHz 밴드 이내의 임의 형태의 주기 신호를 제공할 수 있으나 정전압-정전류 제어 전환이 느리며, 고가의 계측 장비로 다량의 소자를 동시에 제어하는 목적으로 장치를 구성하기 어렵다. 반면 본 발명의 제어 회로는 전자식 스위치를 사용하여 빠른 제어 전환을 통해 약 100 KHz 밴드 이내의 펄스 주기 신호를 제공할 수 있으며, 단위 회로가 간단하여 다량의 소자를 동시에 제어하는 다채널 장비를 구현할 수 있다.

정전압-정전류 제어 전환을 사용하는 장비로 2차전지 수명 측정 및 에이징에 사용되는 충방전기(Cycler)가 있다. 이는 단일 충전 또는 방전 구간에서 과충전 또는 과방전을 방지하기 위해 일회성 제어 전환을 실시하는데, 정전압-정전류 제어 전환시 과도 시간으로 인하여 반복적으로 수행하는 펄스 형태의 전원으로 사용할 수 없다. 본 발명의 회로는 직류 방식의 충방전뿐 아니라 펄스 방식의 충방전 또한 수행할 수 있다.

정전압-정전류 전환형 펄스 전원 회로를 구성시 단일 제어 회로를 제어 전환 스위치를 사용하여 정전압 제어용 및 정전류 제어용으로 선택적으로 활용하면 그 회로의 구성이 단순하여 다채널의 장비 제작이 용이할 뿐 아니라 전자식 아날로그 스위치를 사용하여 빠른 제어 전환을 실현할 수 있어 고주파 전력 펄스 발생원으로 사용할 수 있다.

매회의 순차적 또는 주기적 제어 전환시 원하는 제어값이 일반적으로 다르므로, 제어 전환 스위치의 전환과 동시에 제어 회로에 입력되는 제어값이 갱신되어야 한다. 그러나 실제 제어 전환 스위치의 동작 시간과, 디지털-아날로그 변환기를 통해 제어값이 갱신되는 시간이 일치하지 않으므로, [도 4]와 같은 제어 전환시의 시간 지연이 발생한다. 이 시간 동안에는 단순한 과도 응답 이외에도 원하지 않은 제어값에 대한 비정상적인 제어를 수행하게 되므로 과도한 출력을 제공하거나 테스트 소자에 충격을 줄 수 있다.

따라서 본 발명에서는 전원 발생 회로의 입력값을 단일 디지털-아날로그 변환 채널의 제어값 갱신으로 변환하지 않고, 반복적 혹은 주기적으로 사용하고자 하는 제어 구간의 수와 동일한 복수의 디지털-아날로그 변환 채널을 두어 복수의 제어값이 갱신 없이 항상 제공되고, 제어 전환시 채널 전환부의 스위치가 이를 전환하토록 하였다. 이 때 제어 전환용 스위치와 채널 전환용 스위치를 동일한 규격으로 사용하면 전환시 시간 지연 차이가 제어 회로 자체의 응답시간(δ) 이내로 최소화 되어 매우 안정적인 고속 전환을 실현할 수 있다.

본 발명은 [도 6]의 구성을 갖는 펄스 전원 회로에 관한 것으로, 테스트 소 자의 구동을 위해 미리 설정된 제어값과 회로를 구성하는 각종 아날로그 소자의 입력값을 저장 및 제공하고 회로의 제어 시간을 관리하는 디지털 제어부(10)와, 디지털 입력값을 아날로그 전위로 변환하는 디지털-아날로그 변환부(20)와, 아날로그 제어부(40)에 복수의 지령값으로 제공되는 아날로그 전위를 선택하는 지령 전환부(30)와, 정전압 또는 정전류 제어 방식의 전력을 발생하는 아날로그 제어부(40)와, 테스트 소자에 출력을 제공하는 단자부(50)와, 아날로그 제어부(40)의 제어 방식을 선택하는 제어 전환부(60)와, 지령 전환부(30) 및 제어 전환부(60)의 스위칭을 동기화 하는 스위치 제어부(70)로 구성된다.

또한 본 회로의 아날로그 제어부(40)는 채널 전환부(30)로부터 제공되는 지령값(V_in)에 제어 전환부(60)로부터 발생되는 귀환값(V_fb)을 받아 보정하는 귀환부(41)와, 귀환부로부터 보정된 신호를 받아 전력을 발생하는 전력 발생부(42), 전압 귀환값을 제공하기위한 전압 귀환 발생부(43), 전류 귀환값을 제공하기 위한 전류 귀환 발생부(44)로 구성된다.

또한 본 회로의 아날로그 제어부(40)의 입력전위는 디지털 제어부(10)에 미리 입력된 정전압 또는 정전류 제어 수치가 디지털-아날로그 변환부(20)와 지령 전환부(30)를 거처 아날로그 지령값(V_in)으로 전달되는데, 복수의 시구간에 대하여 복수의 제어 수치를 설정하여 순차적, 반복적, 또는 주기적으로 정전압 또는 정전류 제어를 수행하기 위해 디지털-아날로그 변환부(20)는 복수의 디지털-아날로그 변환기를 사용하여 복수의 아날로그 지령값이 각각 일정한 값을 유지하도록 한다. 이 때 아날로그 제어부(40)의 입력전위 변경은 지령 전환부(30)의 스위치를 제어하여 실행한다.

[실시예 1]

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 동작을 상세하게 설명한다.

[도 7]은 [도 6]의 개념도를 실제 소자로 구현한 것이다. [도 6]의 아날로그 제어부(40)는 널리 알려진 push-pull 트랜지스터 회로와 연산증폭기를 사용하여 구현한다. [도 7]의 구성은 입력 전압를 증폭하여 출력하는 제1의 연산증폭기(41)와, 테스트 소자의 전압을 측정하여 이를 되먹임하는 제2의 연산증폭기(44)와, 전류 측정을 위한 분류저항(43)과, 이 분류저항의 양단 전압을 측정하여 이를 되먹임하는 제1의 계측연산증폭기(42)로 (Instrumentation Amplifier) 구성되며, 제어 전환부(60)의 제어 전환 스위치(61)의 선택에 따라 정전압 제어 및 정전류 제어를 각각 수행할 수 있는 단일 구성 회로이다.

[도 8]은 제어 전환부(60)의 제어 전환 스위치(61)가 정전압 제어 방식을 선택하여 아날로그 제어부(40)가 정전압 전원 회로를 구현한 경우이다. 또한 [도 9]는 제어 전환부(60)의 제어 전환 스위치(61)가 정전류 제어 방식을 선택하여 아날로그 제어부(40)가 정전류 전원 회로를 구현한 경우이다. 각 경우의 출력 전압 또는 출력 전류는 채널 전환부(30)가 선택한 아날로그 지령값(V_in)에 비례하게 된다. 또한 테스트 소자에서 발생되어 흐르는 전류는 마찬가지로 분류저항(43)를 이용하 여 측정된다.

본 회로의 스위치 제어부(70)는 지령 전환부(30)의 스위칭과 제어 전환부(60)의 스위칭을 동기화하여 아날로그 지령간의 변경과 제어 방식의 전환이 동일한 시간에 이루어 지도록 한다.

디지털-아날로그 변환부(20)의 두 채널에 각각 정전압 지령값으로 2V, 정전류 지령값으로 -1V를 지정하고,

스위치 제어부(70)에 의하여, 지령 전환부(30)의 스위칭과 제어 전환부(60)의 스위칭이 동기화하여 스위칭하면,

[도 10]과 같은 -8V의 정전압 출력과 0.2A의 정전류 출력이 순차적으로 번갈아 발생하는 파형이 테스트소자에 인가된다.

정전압 제어 회로인 [도 8]에서 R1=10kΩ, R3=40kΩ 이고, 디지털-아날로그 변환부(20)와 채널 전환 스위치(31)를 통과한 아날로그 지령값 Vin = 2V일때, 제1의 연산증폭기(41)가 귀환회로의 입력을 구성하고 있고, 제1의 연산증폭기(41)의 마이너스 입력단의 전위는 가상접지로 접지의 전위값과 같으므로, V1 = 0. 키르히호프의 회로 법칙에 의해

위 식을 풀면 V5 = -8V 이다. 제2의 연산증폭기(44)는 전압 폴로워로 작동되므로 V3 = V5 = -8V이다. 즉 테스트 소자에는 정전압 -8V가 인가된다.

정전류 제어 회로인 [도 9]에서 R1=10kΩ, R2=20kΩ, 분류저항(43)의 저항값 은 10Ω이고, 디지털-아날로그 변환부(20)와 채널 전환 스위치(31)를 통과한 아날로그 지령값 Vin = -1V일때, 제1의 연산증폭기(41)가 귀환회로의 입력을 구성하고 있고, 제1의 연산증폭기(41)의 마이너스 입력단의 전위는 가상접지로 접지의 전위값과 같으므로, V1 = 0. 키르히호프의 회로 법칙에 의해

위 식을 풀면 V4 = 2V 이다. 제1의 계측연산증폭기(42)는 분류저항(43) 양단의 전압을 출력하는 소자이므로 옴의 법칙에 의해 분류저항(43)에 흐르는 정전류값 I1 = 0.2A 이다.

본 발명은 정전압 제어 및 정전류 제어의 전환이 필요한 반도체 소자, 평판 디스플레이 소자, 배터리, 축전기, 전동기, 전기화학 센서 등 전류 구동형의 소자에 대한 각종 전원 장치, 계측 장치 등의 전원 회로로 사용될 수 있으며, 회로 구성이 간단하여 복수의 소자를 동시에 측정하는 다채널 장치를 제작하는 데 유용하며, 복수의 제어 입력 채널 스위칭과 제어 전환 스위칭을 동기화하여 매우 안정적이고 빠른 전력 펄스를 공급할 수 있다.

Claims

정전압 및 정전류 전원 회로를 구성함에 있어서,

단일 회로로 구성되어 스위치 전환에 의하여 정전압 제어 및 정전류 제어를 선택적으로 수행할 수 있는 아날로그 제어부(40)와,

복수의 디지털-아날로그 변환기를 두어 제어간의 갱신없이 서로 다른 아날로그 지령값을 복수 채널을 통해 일정하게 제공하는 디지털-아날로그 변환부(20)와,

디지털-아날로그 변환부(20)의 복수의 채널로부터 제공되는 아날로그 지령값을 순차적, 반복적, 또는 주기적으로 스위칭하여 아날로그 제어부(40)로 출력하는 지령 전환부(30)와,

아날로그 제어부(40)의 정전압 또는 정전류 제어 방식을 스위치로 선택하는 제어 전환부(60)와,

지령 전환부(30)의 스위칭과 제어 전환부(60)의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부(70)로 구성되어,

지령 전환부(30)의 제어값 전환과 제어 전환부(60)의 제어 방식 전환에 의하여 입력전압과 비례하는 출력 전압을 제어하는 정전압 제어 회로 및 입력전압에 비례하는 출력 전류를 제어하는 정전류 제어 회로를 선택적으로 사용할 수 있는,

정전압-정전류 전환형 펄스 전원 발생 및 제어 회로.
청구항 제 1항에 있어서,

상기 아날로그 제어부(40)는 지령 신호에 되먹임 신호를 보정하여 전력 발생부(42)에 제어 신호를 공급하는 귀환부와,

귀환부로부터 받은 신호를 증폭하여 출력하는 전력 발생부(42)와,

테스트 소자의 전압 응답을 되먹임하는 전압 귀환 발생부(43)와,

테스트 소자의 전류 응답을 되먹임하는 전류 귀한 발생부(44)와

제어 전환부(60)의 스위치의 선택에 따라,

입력전압에 비례하는 일정한 출력 전압을 공급하는 정전압 제어 방식과 입력전압에 비례하는 일정한 출력 전류을 공급하는 정전류 제어 방식을 각각 수행할 수 있는 단일 구성 회로임을 특징으로 하는,

정전압-정전류 전환형 펄스 전원 발생 및 제어 회로.
청구항 제 1항의 스위치 제어부(70)에 의하여,

지령 전환부(30)의 스위칭과 제어 전환부(60)의 스위칭이 동기화되는 것을 특징으로 하는,

정전압-정전류 전환형 전원 발생 및 제어 회로.